Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Узаемадзеянне індукцыйнага току з магнітам. Калі магніт набліжаць да шпулі, то ў ёй з’яўляецца індукцыйны ток такога напрамку, што магніт абавязкова адштурхваецца. Для збліжэння магніта і шпулі трэба выканаць дадатную работу. Шпуля становіцца падобнай да магніта, звернутага аднайменным полюсам да магніта, які да яе набліжаецца. Аднайменныя ж полюсы
адштурхваюцца.
Уявіце сабе, што ўсё было наадварот. Вы падсунулі магніт да шпулі, і ён сам сабой накіраваўся б унутр яе. Пры гэтым парушыўся б закон захавання энергіі. Бо кінетычная энергія магніта павялічвалася б і адначасова ўзнікаў бы ток, для чаго неабходна затрата энергіі. Кінетычная энергія магніта і энергія току ўзнікалі б з нічога, без затраты энергіі. Пры аддаленні магніта, наадварот, у адпаведнасці з законам захавання энергіі патрабуецца, каб з’явілася сіла прыцяжэння.
Справядлівасць гэтага вываду можна прадэманстраваць пры дапамозе прыбора, паказанага на рысунку 5. На канцах стрыжня, які свабодна верціцца вакол вертыкальнай восі, замацаваны два праводзячыя алюмініевыя кольцы. Адно з іх з разрэзам. Калі паднесці магніт да коль
Рыс. 5
ца без разрэзу, то ў ім узнікне індукцыйны ток і накіраваны ён будзе так, што кольца адштурхнецца ад магніта і стрыжань павернецца. Калі аддаляць магніт ад кольца, то яно, наадварот, прыцягнецца да магніта. 3 разрэзаным кольцам магніт не ўзаемадзейнічае, таму што разрэз перашкаджае ўзнікненню ў кольцы індукцыйнага току. Адштурхвае
8
або прыцягвае шпуля магніт — гэта залежыць ад напрамку індукцыйнага току ў ёй. Таму закон захавання энергіі дазваляе сфармуляваць правіла, якое вызначае напрамак індукцыйнага току.
У чым заключаецца адрозненне двух доследаў: набліжэнне магніта да шпулі і яго аддаленне? У першым выпадку лік ліній магнітнай індукцыі, што пранізваюць віткі шпулі, або, што тое ж самае, магнітны паток, павялічваецца (рыс. 6, a), а ў другім выпадку — памяншаецца (рыс. 6, б). Прычым у першым выпадку лініі індукцыі В' магнітнага поля, створанага ўзнікшым у шпулі індукцыйным токам, выходзяць з верхняга канца
Рыс. 6
шпулі, паколькі шпуля ад
штурхвае магніт, а ў другім выпадку, наадварот, уваходзяць у гэты канец. Гэтыя лініі магнітнай індукцыі на рысунку 6 пака
заны пункцірам.
Правіла Ленца. Цяпер мы падышлі да галоўнага: пры паве лічэнні магнітнага патоку праз віткі шпулі індукцыйны ток
мае такі напрамак, што ўтвараемае ім магнітнае поле перашкаджае нарастанню магнітнага патоку праз віткі шпулі, бо лініі індукцыі В' гэтага поля накіраваны супраць ліній індукцыі В поля, змяненне якога параджае электрычны ток. Калі ж магнітны паток праз шпулю слабее, то індукцыйны ток стварае магнітнае
поле з індукцыяй В', якое павялічвае магнітны паток праз віткі шпулі.
У гэтым заключаецца сутнасць агульнага правіла вызначэння напрамку індукцыйнага току, якое прымяняецца ва ўсіх выпадках. Гэта правіла было ўстаноўлена рускім фізікам Э. X. Ленцам.
Згодна з правілам Ленца індукцыйны ток, які ўзнікае ў замкнутым контуры, процідзейнічае таму змяненню магнітнага патоку, якім ён выкліканы.
Прымяняць правіла Ленца для знаходжання напрамку індукцыйнага току I, ў контуры трэба так:
1. Вызначыць напрамак ліній магнітнай індукцыі В знешняга магнітнага поля.
2. Высветліць, ці павялічваецца паток магнітнай індукцыі гэтага поля праз паверхню, абмежаваную контурам (АФ>0), ці памяншаецца (ДФ<0).
3. Вызначыць напрамак ліній магнітнай індукцыі В' магнітнага поля індукцыйнага току В. Гэтыя лініі павінны быць згодна
9
з правілам Ленца накіраваны процілегла лініям В пры АФ > 0 і мець аднолькавы з імі напрамак пры АФ < 0.
4. Ведаючы напрамак ліній магнітнай індукцыі В', знайсці напрамак індукцыйнага току В, карыстаючыся правілам свярдзёлка (гл. «Фізіка10», § 61).
Напрамак індукцыйнага току вызначаецца законам захавання энергіі. Індукцыйны ток ва ўсіх выпадках сваім магнітным полем перашкаджае змяненню магнітнага патоку, які выклікае дадзены ток.
І 1. Як вызначаецца напрамак індукцыйнага току? 2. Як накіраваны індукцыйны ток ва ўсіх разгледжаных вышэй прыкладах?
§ 4. ЗАКОН ЭЛЕКТРАМАГНІТНАЙ ІНДУКЦЫІ
Сфармулюем закон электрамагнітнай індукцыі колькасна. Доследы Фарадэя паказалі, што сіла індукцыйнага току /і ў праводзячым контуры прапарцыянальная скорасці змянення ліку ліній магнітнай індукцыі В, якія пранізваюць паверхню, абмежаваную гэтым контурам. Больш дакладна гэта сцверджанне можна сфармуляваць, выкарыстаўшы паняцце «магнітны паток».
Магнітны паток наглядна вытлумачваецца як лік ліній магнітнай індукцыі, якія пранізваюць паверхню плошчай S. Таму скорасць змянення гэтага ліку ёсць не што іншае, як скорасць змянення магнітнага патоку.
Калі за кароткі час А/ магнітны паток мяняецца на АФ, то
ДФ _
скорасць змянення магнітнага патоку роўна др. Таму сцверджанне, якое вынікае непасрэдна з доследу, можна сфармуляваць так: сіла індукцыйнага току прапарцыянальная скорасці змянення магнітнага патоку праз паверхню, абмежаваную контурам:
ЭРС індукцыі. Вядома, што ў ланцугу з’яўляецца электрычны ток у тым выпадку, калі на свабодныя зарады правадніка дзейнічаюць пабочныя сілы. Работу гэтых сіл пры перамяшчэнні адзінкавага дадатнага зараду ўздоўж замкнутага контуру называюць электрарухаючай сілай. Значыць, пры змяненні магнітнага патоку праз паверхню, абмежаваную контурам, у апошнім з’яўляюцца пабочныя сілы, дзеянне якіх характарызуецца ЭРС, названай ЭРС індукцыі. Абазначаюць яе літарай ^,.
Згодна з законам Ома для замкнутага ланцуга /, = ^. Супраціўленне правадніка не залежыць ад змянення магнітнага
10
патоку. Значыць, суадносіна (1.3) справядлівая толькі таму, што ЭРС індукцыі пра
ДФ парцыянальная ——.
Закон электрамагнітнай індукцыі. Закон электрамагнітнай індукцыі фармулюецца іменна для ЭРС, а не для сілы току. Пры такой фармулёўцы закон выражае сутнасць з’явы, не залежачай ад уласцівасцей праваднікоў, у якіх узнікае індукцыйны ток. Згодна з законам электрамагнітнай індукцыі ЭРС індукцыі ў замкнутым контуры роўна па модулю скорасці змянення магнітнага патоку праз паверхню, абмежаваную контурам:
Рыс. 7
Як у законе электрамагнітнай індукцыі ўлічыць напрамак індукцыйнага току (або знак ЭРС індукцыі) ў адпаведнасці з правілам Ленца?
На рысунку 7 паказаны замкнуты контур. Будзем лічыць дадатным напрамак абходу контуру супраць гадзіннікавай стрэлкі. Нармаль да контуру п утварае правую шрубу з напрамкам абходу.
Няхай магнітная індукцыя В знешняга магнітнага поля накіравана ўздоўж нармалі да контуру і ўзрастае з часам.
Тады Ф > 0 і > 0.
Згодна з правілам Ленца індукцыйны ток стварае магнітны паток Ф'<0. Лініі індукцыі В' магнітнага поля індукцыйнага току паказаны на рысунку 7 чорным колерам. Такім чынам, індукцыйны ток іі згодна з правілам свярдзёлка, накіраваны па гадзіннікавай стрэлцы (супраць напрамку дадатнага абходу) і ЭРС індукцыі адмоўная. Таму ў законе электрамагнітнай індукцыі ™ • ДФ павінен стаяць знак «мінус», які паказвае на тое, што ^, і маюць розныя знакі: __________
дф
^'=^ (14)
Трэба запомніць закон электрамагнітнай індукцыі (1.4), разумець, што такое ЭРС індукцыі і магнітны паток.
1. Што называецца магнітным патокам (патокам магнітнай індукцыі)? 2. Чаму закон электрамагнітнай індукцыі фармулюецца для ЭРС, а не для сілы току? 3. Як фармулюецца закон электрамагнітнай індукцыі? 4. Чаму ў законе электрамагнітнай індукцыі стаіць знак «мінус»?
11
§ 5. ВІХРАВОЕ ЭЛЕКТРЫЧНАЕ ПОЛЕ
ЭРС індукцыі ўзнікае або ў нерухомым правадніку, змешчаным у поле, якое мяняецца ў часе, або ў правадніку, што рухаецца ў магнітным полі, якое можа і не мяняцца з часам. Значэнне ЭРС у абодвух выпадках вызначаецца законам (1.4), але паходжанне ЭРС рознае. Разгледзім спачатку першы вы падак.
Няхай перад намі стаіць трансфарматар — дзве
шпулі, наз абмотак
дзетыя на стрыжань (рыс. 8). Уключыўшы адну у сетку пераменнага току, мы атрымаем ток у другой абмотцы, калі яна замкнутая. Электроны ў правадах другаснай абмоткі прыйдуць у рух. Але якія сілы прымушаюць іх рухацца? Само магнітнае поле, якое пранізвае шпулю, гэтага зрабіць не можа, паколькі магнітнае поле дзейнічае выключна на за
рады, якія рухаюцца (гэтым яно і адрозніваецца ад электрычнага), а праваднік з электронамі, што ў ім знаходзяцца, нерухомы.
Акрамя магнітнага поля, на зарады, прычым як на тыя, што рухаюцца, так і на нерухомыя, дзейнічае яшчэ поле электрычнае. Але ж тыя палі, аб якіх пакуль ішла размова (электрастатычнае або стацыянарнае), ствараюцца электрычнымі зарадамі, а індукцыйны ток з’яўляецца ў выніку дзеяння пераменнага магнітнага поля. Гэта прымушае дапусціць, што электроны у нерухомым правадніку прыводзяцца ў рух электрычным полем і гэта поле непасрэдна параджаецца пераменным магнітным полем. Тым самым сцвярджаецца новая фундаментальная ўласцівасць поля: змяняючыся ў часе, магнітнае поле параджае электрычнае поле. Да гэтага вываду ўпершыню прыйшоў Дж. М а кс в е л.
Цяпер з’ява электрамагнітнай індукцыі паўстае перад намі ў новым святле. Галоўнае ў ёй — гэта працэс параджэння магнітным полем поля электрычнага. Пры гэтым наяўнасць праводзячага контуру, напрыклад шпулі, не мяняе сутнасці справы. Праваднік з запасам свабодных электронаў (або іншых часціц) толькі дазваляе выявіць узнікаючае электрычнае поле. Поле прыводзіць у рух электроны ў правадніку і тым самым выяўляе сябе. Сутнасць з’явы электрамагнітнай індукцыі ў нерухомым правадніку заключаецца не столькі ў з’яўленні індукцыйнага току, колькі ва ўзнікненні электрычнага поля, якое прыводзіць у рух электрычныя зарады.
Электрычнае поле, якое ўзнікае пры змяненні магнітнага поля, мае зусім іншую структуру, чым элек
12
трастатычнае. Яно не звязана непасрэдна з электрычнымі зарадамі, і яго лініі напружанасці не могуць на іх пачынацца і канчацца. Яны наогул нідзе не пачынаюцца і не канчаюцца, а ўяўляюць сабой замкнутыя лініі, падобныя да ліній індукцыі магнітнага поля. Гэта так званае віхравое электрычнае поле (рыс. 9).
Чым хутчэй мяняецца магнітная індукцыя, тым большая напружанасць электрычнага поля. У адпаведнасці з правілам Ленца пры ўзрастанні магнітнай індукцыі ^>0j напрамак вектара на
—►
пружання Е электрычнага поля ўтварае левую шрубу з напрамкам
КНІГІ ОНЛАЙН
